2차전지용 비정질 리튬이온 전도성 고체전해질 박막의 이온전도특성 및 전지성능에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 박막고체 2차전지의 요소재료인 리튬이온 전도성 고체전해질 중에서 그 성능이 우수하다고 알려진 $Li_2O-B_2O_3-SiO_2$ 계와 Li-P-O-N (LIPON)계 비정질 박막 고체전해질을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 제조하였다. 박막 증착조건이 고체전해질의 구조와 이온전도도에 미치는 영향을 조사하여 고체전해질의 구조와 이온전도도간의 상관관계를 연구하였다. $Li_3PO_4$ 전해질에 질소가 첨가함에 따라 이온전도도가 급격히 증가한 LIPON 전해질이 제조되었는데 질소가 이온전도도에 미치는 영향은 구체적으로 밝혀지지 않았다. 질소의 영향을 밝히기 위해 $Li_3N$을 타겟에 첨가하여 LIPON내의 질소함량을 증가시켜 질소의 영향을 조사하였다. $Li_2SO_4$는 고체전해질의 doping재료로 널리 사용되어 왔는데 이는 전해질 내에서 분극도(polarity)를 증가시켜 이온전도도를 증가시킨다고 알려져 있다. LIPON 전해질의 특성을 향상시키기 위해 $Li_2SO_4$를 타겟에 첨가하여 증착된 LIPONS 전해질을 제작하여 그 특성과 구조-이온전도간의 상관관계에 대해 연구하였다. 이와 같이 제조된 각 전해질에 대해 Li | LIPON | $V_2O_5$ 박막 전지를 구성하여 충방전 실험을 행하여 그 전지 성능을 평가하고 전지 퇴화의 원인에 대해 연구하였다. RF magnetron sputtering 장치를 이용하여 상온에서 $Li_2O-B_2O_3-SiO_2$ 계 비정질 고체전해질을 증착한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. $7Li_2O-3B_2O_3-1SiO_2$ 조성비로 제조된 단상 타겟으로 증착된 고체전해질 박막의 이온전도도는 $25 \,^\circ\!C$에서 $10^{-10} \Omega$^{-1}cm^{-1}$로 낮게 나왔으며, $7Li_2O-3B_2O_3-1SiO_2$과 $Li_2O$ pellet로 이루어진 모자이크 타겟으로 증착한 결과 박막의 이온전도도는 $25 \,^\circ\!C$에서 $10^{-7} \Omega^{-1}cm^{-1}$으로 증가하였다. 이는 전해질내의 리튬이온 양이 7.52 at% 에서 14.75 at%로 증가한것과 실리콘양의 감소에 따른 구조변화에 따른것으로 사료된다. 2. 박막 전해질의 IR spectra를 관찰한 결과 이온전도도가 증가함에 따라 $960 cm^{-1}$ 영역의 peak강도가 증가하였다. 전해질을 폐쇄적인 구조로 변화시키기위해 박막을 $250 \,^\circ\!C$에서 열처리한 결과, 열처리 시간이 증가함에 따라 $960 cm^{-1}$영역의 peak 강도는 감소하였다.이로부터 $960 cm^{-1}$영역의 peak 강도가 증가한다는것은 고체전해질의 구조가 리튬이온의 이동이 용이?? 개방적인 구조로 변하는것으로 볼 수 있다. 3. 스퍼터링 알곤압력을 3 - 21 mTorr로 증가시킴에 따라 이온전도도는 $25 \,^\circ\!C$에서 $7 \times 10^{-9} \Omega^{-1}cm^{-1}$ 에서 $2 \times 10^{-6} \Omega^{-1}cm^{-1}$으로 증가하였으며 이는 비정질 전해질의 그물구조가 개방적인 구조로 변하여 이온전도의 활성화 에너지가 0.31eV에서 0.27eV로 감소하였기 때문이라고 생각된다. 4. 스퍼터링 RF power를 $2 \sim 3 W/cm^2$로 증가시킴에 따라 이온전도도는 $25 \,^\circ\!C$에서 $2 \times 10^{-7}\Omega^{-1}cm^{-1}$ 에서 $2 \times 10^{-6}\Omega^{-1}cm^{-1}$으로 증가하였으며 이는 비정질 전해질의 그물구조가 개방적인 구조로 변하여 이온전도의 활성화 에너지가 0.31eV에서 0.25eV로 감소하였기 때문이라고 생각된다. RF magnetron sputtering 장치를 이용하여 상온에서 LIPON 계 비정질 고체전해질을 증착한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 스퍼터링 RF power를 증가시키며는 phosphate 유리구조내에 질소 함유량이 증가하여 비정질 구조가 cross-linked된 구조로 변